...轧机交交变频器故障分析
梁毅雄 戚宇祥
[摘 要]介绍了一起10kV整流变压器经受不平衡负荷冲击后的故障情况，对整流设备存在的问题进行分析和探讨，提出处理的方法和建议。
[关键词]变压器；分析
中图分类号：TM402 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）15-0038-02
1 前言
整流变压器是整流设备的电源变压器。整流设备的特点是原边输入交流，而副边通过整流元件后输出直流。变流是整流、逆流和变频三种工作方式的总称，整流是其中应用最广泛的一种。作为整流装置电源用的变压器成为整流变压器，广泛用于各类行业中，主要分为照明、机床电器、机械电子设备、医用设备和整流装置等。
本文中笔者介绍一例用于工厂整流设备的10kV整流变压器，该变压器同时为两套整流设备供电，通过综合运用多种检测手段，对产品出现不平衡负荷冲击的情况分析，判断故障原因，重新调整和优化整流变压器设计，保证整流变压器能够为整流设备提供安全、可靠、稳定的供电。
2 故障情况
在国内某不锈钢制品厂，两台轧机的整流设备共同使用一台整流变压器供电，整流变压器型号为：ZBSF14-2000/10/2*0.66，联结组别为：Dd0yn11，电压比为：10/0.66/0.66。整流变压器于2015年11月投入运行，但整流设备的低压保护开关在2015年12月10号出现欠压保护装置动作的现象，整流变压器低压输出停止供电，整流设备停机，影响工厂正常生产。
根据轧机的实际使用情况和工厂设备检修安排，在2015年12月19号对整流变压器、整流设备和轧机的工况在线生产监测。根据实际情况初步分析，引起故障出现的原因是：整流变压器内部结构与整流设备不匹配，在生产过程中整流变压器输出电压过低，引起低压保护开关动作，最终引起故障的出现。
3 原因分析与处理
3.1 整流设备供电系统分析
为节约资源和提高设备利用效率，不锈钢制品厂采取特殊方式供电：利用一台整流变压器为两台轧机的左、右电机的整流设备供电，具体供电系统示意图如图1所示。
在冶金工业中，轧制过程是金属压力加工的一个主要工艺过程，主要是采取电动机拖拽钢筋，利用轧机的承重辊、工作辊共同将力施加到钢筋的两个面上，通过改变两个轧辊间隙的大小实现轧制不同厚度钢筋的目的。
在图1中，轧机的左电机和右电机用于拖拽钢筋，当电机拖拽钢筋起出力作用时，电机需通过整流设备从整流变压器中汲取电能，而当电机受到钢筋拖拽时则起发电作用，发出的电能通过整流设备将电能反馈整流变压器。电机如此轉换工作状态，能够提高利用效率，降低整流变压器的负荷，节约电能。
根据轧机工作原理和供电情况，不锈钢制品厂的轧机实际运行工况如下：
（1）轧机1或轧机2单独工作，左电机处于汲取电能而右电机处于发电状态，或右电机处于汲取电能而左电机处于发电状态；
（2）轧机1和轧机2同时工作，左、右电机处于不同步工作状态，即轧机1的左电机处于汲取电能而右电机处于发电状态，但轧机2的右电机处于汲取电能而左电机处于发电状态；或者轧机2的左电机处于汲取电能而右电机处于发电状态，但轧机1的右电机处于汲取电能而左电机处于发电状态。
由于该不锈钢制品厂轧机具有以上特殊工况情况，按常规设计的整流变压器已无法满足使用要求，必须按其要求进行特殊设计。为进一步分析和查找故障原因，需对整流变压器内部结构深入剖析，提出具体的解决方案。
3.2 整流变压器分析
原整流变压器按常规要求设计，能满为一台轧机的整流设备供电，这种设计能充分利用轧机的左、右电机汲取和反馈电能的作用，从而降低变压器实际负荷，节约电能。但实际情况反映出这种设计不能完全满足该不锈钢制品厂的生产使用要求。
根据整流设备出现欠压保护现象的分析，主要是整流变压器输出电压值过低导致故障出现，根本原因是整流变压器的阻抗电压过大，影响产品电压的输出值，因此需对变压器内部结构（即线圈结构）进行分析。
原整流变压器线圈结构示意图如下：
根据图2线圈结构示意图可知，该线圈满足轴向分裂的结构特点，根据轴向分裂变压器的阻抗电压计算原理，阻抗电压、穿越阻抗和半穿越阻抗的公式如下：
Z=（49.6*f*I*W*∑D*ρ*K）/（et*H*106）
ZB=（1+KF/4）*Zk
式中：Z：阻抗电压；
f：频率；
I：额定电流；
W：总匝数；
et：每匝电势；
H：线圈的平均电抗高度；
ρ：洛氏系数；
K：附加电抗系数；
ZB：半穿越阻抗；
ZK：穿越阻抗；
KF：分裂系数。
对于轴向分裂的变压器而言，分裂系数KF通常在3.2～3.8范围内，所以半穿越阻抗ZB与穿越阻抗ZK之比约为1.8～1.95。
对原整流变压器进行试验检测，穿越阻抗和半穿越阻抗测试数据为：（1）穿越阻抗：6.37%；（2）低压1的半穿越阻抗：11.37%，低压2的半穿越阻抗：11.47%。对比测试结果可知，原整流变压器的穿越阻抗和半穿越阻抗满足ZB=（1.8～1.95）*Zk的关系，即半穿越阻抗约为穿越阻抗的1.8～1.95。
在实际运行中，如果变压器中的两个低压线圈同时满负荷运行，穿越阻抗为6.37%，即实际输出电压为618V；而当变压器出现不平衡满负荷时，即单独一个线圈满负荷运行，半穿越阻抗值越为11.4%，即实际输出电压为585V。那么，变压器输出电压范围值为585V～618V，输出电压值波动范围较大，影响供电质量，不利于整流设备安全、可靠运行。
3.3 故障分析
根据该不锈钢制品厂轧机运行特点和原整流变压器内部结构分析可知，导致整流设备低压开关出现欠压保护动作现象，主要原因是：
轧机1和轧机2的电机同步运行，即两台轧机的左电机或右电机同步运行，它们同时从整流变压器的相同低压线圈汲取电能用于拖拽钢板，整流变压器的一个低压线圈满负荷运行，而另外一个低压线圈处于轻载或空载运行。
因此根据整流变压器分析可知，原整流变压器满负荷的低压线圈输出电压为585V，低于整流设备允许工作电压值，并触发欠压保护装置动作，导致整流设备停止工作，最终影响工厂正常生产。
3.4 处理措施
由于原整流变压器已不能满足实际使用要求，必须返厂整改处理，重新优化整流变压器设计，使其满足实际工况要求。
根据故障情况分析，并结合轧机运行情况和整流变压器结构特点，只有减小整流变压器的半穿越阻抗，降低输出电压波动，才能避免整流变压器出现单个线圈满负荷运行，输出电压过低导致整流设备低压开关出现欠压保护动作的现象。
因此，通过重新优化整流变压器的线圈结构设计，减小产品的半穿越阻抗，才能保证低压输出电压满足整流设备的允许值要求。
重新设计的线圈结构采取轴向分裂和幅向分裂的复合结构型式，可有效减小产品的半穿越阻抗值。在实际生产中，将整流变压器的两个低压线圈设计成“交叉”式结构，即同时采取轴向分裂和幅向分裂的复合结构型式。
复合型线圈结构示意图如下：
根据线圈结构示意图（图3）和变压器阻抗电压计算原理可知，变压器阻抗电压ZK（穿越阻抗）和低压1、低压2的阻抗电压Z1B、Z2B（半穿越阻抗）计算公式如下：
Zk=（49.6*f*I*W*∑D*ρ*K）/（et*H*106）
Z1B=（49.6*f*I1*W1*∑D*ρ*K）/（et*H*106）
Z2B=（49.6*f*I2*W2*∑D*ρ*K）/（et*H*106）
式中：Zk：变压器阻抗电压；
Z1B、Z2B：低压1的阻抗电压、低压2的阻抗电压；
I1、I2：低压1的额定电流、低压2的额定电流；
W1、W2：低压1的匝数、低压2的匝数。
其中I1*W1=I2*W2=（I*W）/2，那么它们的关系如下：
Z1B=Z2B=ZK/2
由上述分析可知，线圈采取轴向分裂和幅向分裂的复合结构型式可有效减小产品的半穿越阻抗，半穿越阻抗值仅为阻抗电压值的一半。
因此，按要求对原整流变压器优化设计和整改。整改完成后，测试产品的穿越阻抗（阻抗电压）和半穿越阻抗，测试数据为：（1）穿越阻抗：6.67%；（2）低压1的半穿越阻抗：3.42%，低压2的半穿越阻抗：3.52%。对比测试数据结，整改后的整流变压器穿越阻抗和半穿越阻抗满足Z1B=Z2B=ZK/2的关系。
那么，整改后的整流变压器即使出现不平衡满负荷，即单个线圈满负荷运行，其半穿越阻抗也仅为穿越阻抗的一半，约为3.5%，此时整流变压器的输出电压为637V，高于整改前的输出电压（585V），即产品输出电压值滿足整流设备的允许工作电压值要求。
完成整流变压器整改后，将其重新挂网运行，并通过监测轧机设备的运行状态，监测结果显示，整改后的产品输出电压稳定，运行良好，杜绝了整流设备因输入电压波动过大而导致低压欠压保护装置动作的现象，满足工厂实际生产要求。
4 结论
近年来，为了限制短路电流，节省基本建设投资，分裂式整流变压器的采用日益增多。在设计分裂式整流变压器时，须结合整流设备及用户设备运行状况的差异，优化产品内部结构，缩小输出电压波动范围，提高供电质量，保证整流设备更加安全、可靠运行。
参考文献
[1] 崔立君，特种变压器理论与设计[M]，科学技术文献出版社，1994.
[2] 沈阳变压器研究所，变压器设计手册[M]，沈阳：沈阳变压器研究所，1985.
[3] 赵家礼，张庆达等，变压器故障诊断与维修[M]，机械工业出版社，1996.
作者简介
梁毅雄（1983-），男，广东开平人，海鸿电气有限公司，电气工程师，主要从事立体卷铁心油浸式变压器产品技术研究工作。
